利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將向海、陸、空、天立體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方向發(fā)展，最終將成為人類生產(chǎn)和生活不可分割的一部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無論是在國(guó)防，還是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)該技術(shù)的深入研究與推廣應(yīng)用將推動(dòng)我國(guó)信息化建設(shè)的進(jìn)程，并極大地帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和學(xué)科的發(fā)展。

在開展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，我們都力求圍繞網(wǎng)絡(luò)的各種關(guān)鍵性能對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。然而受有限的資金和網(wǎng)絡(luò)條件的限制，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比較昂貴。因此，充分利用現(xiàn)有資源，構(gòu)建虛擬的仿真環(huán)境是非常有意義的。

本文在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和協(xié)議棧的研究基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2進(jìn)行了研究和二次開發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)基于各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能的仿真界面。使得用戶可以通過仿真界面來自主配置網(wǎng)絡(luò)元素，搭建網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行并直觀地顯示各種關(guān)鍵性能，以對(duì)其研究起到一定的指導(dǎo)作用。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及NS2仿真機(jī)制

1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，圖l是傳感器節(jié)點(diǎn)使用的最典型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。此外，還包括網(wǎng)絡(luò)管理模塊。這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。該模型既參考了現(xiàn)有通用網(wǎng)絡(luò)的TCP／IP和0sI模型的架構(gòu)，同時(shí)又包含了傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的電源管理、移動(dòng)管理及任務(wù)管理。應(yīng)用層為不同的應(yīng)用提供了一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為傳感器網(wǎng)絡(luò)保持?jǐn)?shù)據(jù)流或保證與Internet連接；網(wǎng)絡(luò)層主要關(guān)心數(shù)據(jù)的路由；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調(diào)無線媒質(zhì)的訪問，盡量減少相鄰節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)的沖突；物理層為系統(tǒng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的調(diào)制、傳輸和接收系統(tǒng)。除此而外，電源、移動(dòng)和任務(wù)管理負(fù)責(zé)傳感節(jié)點(diǎn)能量、移動(dòng)和任務(wù)分配的監(jiān)測(cè)，幫助傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)感測(cè)任務(wù)，盡量減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

1．2 NS2的仿真機(jī)制

NS是美國(guó)加州Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1989年開始開發(fā)的軟件。NS是一種可擴(kuò)展、以配置和可編程的事件驅(qū)動(dòng)的仿真工具，可以提供有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)中鏈路層及其上層，精確到數(shù)據(jù)包的一系列行為的仿真。最值得一提的是，NS中的許多協(xié)議代碼都和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用代碼十分接近，其真實(shí)性和可靠性高居世界仿真軟件的前列。

NS底層的仿真引擎主要由C++編寫，同時(shí)利用0TCL語言作為仿真命令和配置的接口語言，網(wǎng)絡(luò)仿真的過程由一段OTCL的腳本來描述，這段腳本通過調(diào)用引擎中各類屬性、方法，定義網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，配置源?jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)，建立連接，產(chǎn)生所有事件的時(shí)間表，運(yùn)行并跟蹤仿真結(jié)果，還可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)處理或制圖。

通常情況下，NS仿真器的工作從創(chuàng)建仿真器類（simulator）的實(shí)例開始，仿真器調(diào)用各種方法生成節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)造拓?fù)鋱D，對(duì)仿真的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行配置，定義事件，然后根據(jù)定義的事件，模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的過程。

仿真器封裝了多個(gè)功能模塊：

（1）事件調(diào)度器：由于NS是基于事件驅(qū)動(dòng)的，調(diào)度器也成為NS的調(diào)度中心，可以跟蹤仿真時(shí)間，調(diào)度當(dāng)前事件鏈中的仿真時(shí)間并交由產(chǎn)生該事件的對(duì)象處理。

（2）節(jié)點(diǎn)：是一個(gè)復(fù)合組件，在NS中可以表示端節(jié)點(diǎn)和路由器，節(jié)點(diǎn)為每個(gè)連接到他的節(jié)點(diǎn)分配不同的端口，用于模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的端口。

（3）鏈路：有多個(gè)組件復(fù)合而成，用來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

（4）代理：代理類包含源及目的節(jié)點(diǎn)地址，數(shù)據(jù)包類型、大小、優(yōu)先級(jí)等狀態(tài)變量，每個(gè)代理鏈接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，通常連接到端節(jié)點(diǎn)，由該節(jié)點(diǎn)給他分配端口號(hào)。

（5）包：由頭部和數(shù)據(jù)兩部分組成。

NS采取對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)元素進(jìn)行抽象，保留其基本特征，并運(yùn)用等效描述的方法來建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型。他們由大量的仿真組件所構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的抽象和模擬。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

NS2的主代碼主要采用Tcl和C++兩種語言進(jìn)行編寫。C++的程序運(yùn)行時(shí)間很短，轉(zhuǎn)換時(shí)間很長(zhǎng)，適合具體協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，而Tcl運(yùn)行較慢但轉(zhuǎn)換很快，正好用來仿真的配置。Tcl提供了一個(gè)強(qiáng)有力的平臺(tái)，可以生成面向多種平臺(tái)的應(yīng)用程序、協(xié)議、驅(qū)動(dòng)程序等等。他與Tk（too1kit）協(xié)作，可生產(chǎn)GUI應(yīng)用程序。Tk是基于Tcl的圖形程序開發(fā)工具箱，是Tcl的重要擴(kuò)展部分。利用Tcl／Tk進(jìn)行界面編程速度快，且界面編程工作可以從應(yīng)用程序的其余部分分離開來，開發(fā)人員可以先集中精力實(shí)現(xiàn)程序的核心部分，然后逐步建立用戶界面。

本文主要就是采用Tk工具包來作出友好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶操作界面，將所要運(yùn)行的ns代碼嵌入其中，通過Nam動(dòng)畫演示來展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程，用Xgraph靜態(tài)圖表來分析網(wǎng)絡(luò)的各種關(guān)鍵性能。通過Tcl腳本來描述在用戶界面上所定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?chǎng)景參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景信息。

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要有網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模塊和性能分析模塊組成，網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模塊主要包括環(huán)境參數(shù)設(shè)定、拓?fù)渖梢约熬W(wǎng)絡(luò)協(xié)議添加的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)設(shè)定好基站以及普通節(jié)點(diǎn)拓?fù)浞秶?，隨機(jī)生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)湮募?，結(jié)合其余的環(huán)境參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，便可完成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的初始化。

在NS2仿真器中，模擬的配置被作為一種程序設(shè)計(jì)而不是一種靜態(tài)的配置。一次模擬的場(chǎng)景為模擬的運(yùn)行定義了一個(gè)輸入配置，NS采用Tcl腳本來描述用戶提交的網(wǎng)絡(luò)模擬場(chǎng)景。

當(dāng)提交網(wǎng)絡(luò)模擬場(chǎng)景后，根據(jù)參數(shù)便會(huì)生成Tcl模擬腳本并調(diào)用NS仿真器進(jìn)行模擬運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，模擬結(jié)束后性能分析模塊即被激活，性能分析模塊主要包括Nam動(dòng)畫演示和Xgraph靜態(tài)性能分析的實(shí)現(xiàn)。其中靜態(tài)分析實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能量、延時(shí)、丟包以及吞吐量等關(guān)鍵性能的仿真。

2．2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)具體的用戶操作界面如圖3所示：

在網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模塊中，場(chǎng)景參數(shù)的設(shè)定僅由用戶界面輸入便可完成，提交參數(shù)時(shí)可自動(dòng)添加至后臺(tái)運(yùn)行的Tcl腳本中并調(diào)用NS仿真器進(jìn)行運(yùn)行，然而如若添加自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，則需進(jìn)行相應(yīng)的NS二次開發(fā)，先開發(fā)出想添加的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并添加至后臺(tái)運(yùn)行的Tcl腳本中，然后才能添至用戶界面中。

在性能分析模塊中，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫演示主要是通過調(diào)用Nam可視化工具來實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)鍵性能的靜態(tài)顯示則是通過gawk語言對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的跟蹤文件進(jìn)行讀取、處理，最后通過Xgraph圖表化得到的。

3 仿真性能分析

我們以經(jīng)典層次路由協(xié)議leach協(xié)議的運(yùn)行為例，來觀察系統(tǒng)用戶操作界面的使用。

在用戶界面中輸入需要的環(huán)境參數(shù)，在MAC協(xié)議下拉選項(xiàng)中選取Mac／Sensor，在routing協(xié)議中選取leach，然后確認(rèn)輸入點(diǎn)擊控件0K？進(jìn)行提交網(wǎng)絡(luò)模擬場(chǎng)景設(shè)置。然后點(diǎn)擊控件Run調(diào)用Ns仿真器進(jìn)行運(yùn)行模擬網(wǎng)絡(luò)（其中Clear控件用來清楚輸入，Reset控件用來恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置）。待模擬完成后，性能分析模塊被激活，如圖4所示。

此時(shí)，我們便可觀察網(wǎng)絡(luò)的各種性能分析，控件dynamic run可調(diào)甩Nam根據(jù)模擬返回結(jié)果NamTrace文件來動(dòng)態(tài)演示網(wǎng)絡(luò)的模擬過程，Nam的動(dòng)態(tài)演示如圖5所示。在energy一欄中，有三個(gè)控件：node alived、received data和energy consume，分別表示剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)目、基站接收的數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)消耗能量。如圖6、7、8所示。

由圖6、7、8可以看出，網(wǎng)絡(luò)總共運(yùn)行時(shí)間為505s，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)在330s左右死亡，到505s左右網(wǎng)絡(luò)還剩余4個(gè)節(jié)點(diǎn)，基站接收到的數(shù)據(jù)量隨著時(shí)間大致呈線性上升，而網(wǎng)絡(luò)消耗的能量卻隨著節(jié)點(diǎn)的死亡呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)。觀察一下網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延狀況，在delay一欄中，有三個(gè)控件：delay／packet、delay／time和jitter，分別表示每個(gè)包的延時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)，下面僅以delay／time和jitter為例，如圖9、lO所示：

從圖9、10中可以看出，網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)存在一定的周期性，這與1each協(xié)議的“回合”過程是有一定密切關(guān)系的，而且從圖10中也可以看出，網(wǎng)絡(luò)整體慢慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

下面看一下網(wǎng)絡(luò)的丟包和吞吐量。這里的丟包率為了防止網(wǎng)絡(luò)中存在一對(duì)多的傳輸情況（排除了廣播），定義為：丟包率=丟棄的數(shù)據(jù)包／（接收的數(shù)據(jù)包+丟棄的數(shù)據(jù)包）。在drop一欄中，有兩個(gè)控件：drop ratio和get ratio，這是兩個(gè)對(duì)立的概念，一個(gè)表示丟包率，一個(gè)表示接收率（丟包率+接收率=1），僅以接收率為例，如圖11所示，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量用單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量表示，如圖12所示。

由圖11，在leach協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在成簇過程中即為簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照TDMA方法安排了傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間片，這一點(diǎn)保證了節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)發(fā)生相互碰撞，也進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)的接收率，圖12，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也與傳輸延時(shí)保持一致，與成簇周期存在一定的周期對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)束語

由于NS2的安裝和使用都比較復(fù)雜，針對(duì)于此，本文搭建了一個(gè)用戶仿真平臺(tái)，NS2仿真器對(duì)于用戶是透明的，面對(duì)用戶的只是設(shè)計(jì)平臺(tái)上的參數(shù)和協(xié)議的選定，用戶即可以利用NS2仿真器所提供的強(qiáng)大功能來進(jìn)行那個(gè)網(wǎng)絡(luò)模擬研究又可以省去搭建網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜過程。

本文提出的系統(tǒng)通過采用NS2作為后臺(tái)仿真器給用戶提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真能力，滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種仿真要求，同時(shí)由Tk軟件包所設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)也為不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)提供了種種便利，具有良好的可控、可視和可擴(kuò)充性。

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